Dissipatori sismici BRB e BRAD® sempre più facili da calcolare con Sismicad 12.21

I BRAD^® permettono di localizzare l'intervento in aree di limitata dimensione

Negli ultimi cinquant’anni il mondo accademico ha proposto diverse tecniche innovative per il controllo della risposta strutturale al sisma. Gli approcci sono sostanzialmente due. Nel primo si cerca di ridurre la domanda sismica ovvero l’energia trasmessa alla struttura dal sisma. Nel secondo si cerca di far aumentare la capacità sismica, cioè la capacità di dissipazione dell’energia propria della struttura. Il tutto si traduce in ambito moderno all’introduzione nella struttura rispettivamente di dispositivi di isolamento sismico e di dispositivi di dissipazione dell’energia.

Attenendoci in questa sede solo ai dissipatori sismici, se ne rilevano diverse tipologie come i viscosi, visco-elastici, plastici, ad attrito, etc. Spesso la forza di smorzamento è proporzionale alla velocità di spostamento di parti del dispositivo ma una tipologia di dispositivi metallici in cui l’effetto di smorzamento è affidato alla loro deformazione plastica è chiamata BRB (Buckling Restrained Braces) ovvero dissipatori ad instabilità impedita. Normalmente sono costituiti da barre metalliche inserite in un tubo di acciaio riempito con un calcestruzzo non aderente ad esse, operazione che si realizza per l’interposizione di un sottile strato di altro materiale.

Lo scopo di tale dispositivo è dissipare energia mediante cicli di trazione e compressione della barra d’anima; attività che si può realizzare solo impedendo l’instabilizzazione della barra per compressione. Normalmente i BRB sono adottati in strutture metalliche, tipicamente molto deformabili, e hanno lunghezza della porzione che dissipa energia, pari a quella del controvento totale per cui usualmente devono essere realizzati su misura. Di simile tipologia sono invece i BRAD^® (Buckling Restrained Axial Damper), adottati per strutture in cemento armato, tipicamente meno deformabili di quelle metalliche, in cui la porzione che dissipa energia è più compatta e separata dal controvento. In questo modo il controvento rimane in campo elastico e il dissipatore può avere dimensioni standardizzate.

Questo genere di dispositivi può essere adottato indifferentemente in edifici di nuova costruzione o in edifici esistenti ma è proprio in quest’ultimo caso il grande interesse d’utilizzo, vista la possibilità di localizzare l’intervento in aree di limitata dimensione.
La progettazione dei dispositivi e del comportamento strutturale generale è però articolata e richiede conoscenze specifiche e strumenti di calcolo adatti.

La normativa

Le Norme Tecniche per le Costruzioni (DM 20/02/2018) non trattano direttamente l’argomento BRB o BRAD^® in uno specifico capitolo come invece avviene per gli edifici isolati. Nel capitolo “Costruzioni con isolamento e/o dissipazione” al §7.10.1 la norma precisa che “Le prescrizioni del presente capitolo non si applicano ai sistemi di protezione sismica basati sull’impiego di elementi dissipativi distribuiti, a vari livelli, all’interno della costruzione”.
Per il tipo di analisi da eseguire occorre rifarsi al capitolo 7.3 “Metodi di analisi e criteri di verifica”.

Trattandosi di elementi a comportamento non lineare la scelta non può che ricadere sull’analisi dinamica non lineare con integrazione al passo. Non avrebbe senso utilizzare questi elementi in una analisi statica non lineare dove svolgerebbero la funzione di semplici controventi in acciaio.
Non banale per il progettista che intende utilizzare questi dispositivi può risultare l’argomento “storie temporali del moto del terreno”, trattato diffusamente nei capitoli 3 e 7 della norma tecnica e della relativa circolare.

Al § 7.3.5 la norma prevede “La risposta è valutata applicando simultaneamente le due componenti orizzontali della storia temporale del moto del terreno (e quella verticale, ove necessario). Si devono adottare almeno 3 storie temporali; si valutano gli effetti sulla struttura utilizzando i valori più sfavorevoli. Impiegando invece almeno 7 diverse storie temporali, gli effetti sulla struttura sono rappresentati dalla media dei valori più sfavorevoli”.
Le storie temporali del moto del terreno devono essere riferite alla collocazione geografica del manufatto, alle relative caratteristiche del terreno di fondazione e soddisfare vari requisiti di norma. Spesso sono oggetto di una prestazione professionale dedicata.

Il metodo di calcolo con Sismicad

Con Sismicad 12.21 è stata introdotta la possibilità di calcolare strutture con controventi dissipativi. In particolare è disponibile l’analisi non lineare con accelerogrammi, chiamata anche analisi al passo o time history, per dispositivi isteretici ad instabilità impedita. Il metodo adottato è molto efficiente e noto in letteratura come FNA (Fast Non-linear Analysis) di Wilson.
Il processo di inserimento dati prevede la definizione dei dati dei dissipatori in un apposito archivio, il disegno dei controventi dissipativi nella struttura, nonché la definizione e gestione degli accelerogrammi.

Questo tipo di analisi non lineare prevede un lancio del solutore per ogni accelerogramma con la produzione di risultati per ciascun istante temporale.
Ne consegue un tempo di analisi non indifferente ma soprattutto la necessità di ampi spazi liberi su disco per lo storage.
A titolo di esempio, ipotizzando una storia temporale definita da tremila istanti e poiché ad ogni stato limite SLD, SLV e SLC deve essere associato un gruppo di accelerogrammi specifici, anche limitandosi a utilizzare tre soli accelerogrammi per stato limite, le soluzioni da memorizzare in termini di risultati (spostamenti, sollecitazioni etc.) superano le ventisettemila.

Conclusioni

Il progresso tecnologico e strumenti di calcolo sempre più potenti portano a metodi di progettazione sempre più evoluti. Le analisi time history rappresentano sicuramente una evoluzione destinata a coinvolgere un sempre maggiore numero di progettisti. Rimane importante la valutazione della loro affidabilità anche con valutazioni semplificate ma basate su preparazione, buon senso ed esperienza.

Nota bibliografica: 

“Strutture prefabbricate con controventi dissipativi: l’esempio del nuovo polo didattico della Facoltà di Ingegneria dell’Università Politecnica delle Marche di Ancona. “

R. Antonucci, F. Balducci, F. Cappanera, M.G. Castellano

Progettazione Sismica - 2009.